CN102331751A - 一种实时工业控制系统的监控方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种实时工业控制系统的监控方法及系统；所述监控系统包括上位机和多个节点设备；所述节点设备包括交换机、控制设备及系统中各段独立的链路；各节点设备都直接或间接与所述上位机相连；所述上位机用于与各节点设备进行交互，包括获取各节点设备的运行状态数据和故障信息，及发送控制命令给所述节点设备。本发明可以对实时工业控制系统进行更为全面的监控管理。

Description

一种实时工业控制系统的监控方法及系统

技术领域

本发明涉及工业控制领域，尤其涉及一种实时工业控制系统的监控方法及系统。

背景技术

随着控制系统规模的扩大，对安全稳定运行提出了更高的要求，而对所有控制设备进行实时可靠的监控是实现稳定运行的重要技术保证。

目前的DCS(Distributed Control System，分布式控制系统)对被控设备有着完善的监控手段，但对控制系统设备和第三方的设备，以及工业现场总线、工业以太网线缆缺乏及时、可靠的监控措施。

当前的DCS系统仅仅通过监控被控设备的网卡来进行监视：采用双网卡冗余，即物理设置A、B双网卡，具体的通讯方式有三种：第一种是双网卡绑定一个网络地址，在当前运行网络失效时及时切换到另一网络，网络地址没有变动，上层控制系统不受影响；另两种是双网卡绑定不同的网络地址：单网通讯和双网通讯。单网通讯指正常情况下双网一个通讯一个备用，故障时进行切换；双网通讯指双网同时发送相同的数据包，接收方收到后通过比较丢弃其中一个，单网故障时不存在切换的问题。

以上三种通讯方式，都是通过监视被控设备网卡的好与坏的状态变化，完成对DCS系统控制设备的监视。这种简单网卡状态监视的方法，无法实现以下监视功能：

1)DPU(分散处理单元)和MMI(人机接口站)网卡均正常，网络链路中间环节失效；

2)各控制设备节点通讯数据异常、流量异常；

3)DPU和MMI的资源(CPU和内存)利用率超限，响应迟缓；

4)交换机单个端口收发数据异常；

5)交换机CPU和内存利用率超限，丢包率、误码率频繁发生；

6)工业现场总线的监视；

7)DCS系统网络边界的管理；

8)非法接入的监控。

当以上一种或几种故障或者现象产生时，会严重影响监控的及时性和可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种实时工业控制系统监控，可以对实时工业控制系统进行更为全面的监控管理。

为了解决上述问题，本发明提供了一种实时工业控制系统的监控系统，包括：

上位机和多个节点设备；所述节点设备包括交换机、控制设备及系统中各段独立的链路；

各节点设备都直接或间接与所述上位机相连；

所述上位机用于与各节点设备进行交互，包括获取各节点设备的运行状态数据和故障信息，及发送控制命令给所述节点设备。

进一步地，所述的监控系统还包括：串口服务器；

所述节点设备包括支持SNMP的节点设备、不支持SNMP的网管型交换机及控制设备、及非网管型交换机；

所述上位机和所述支持SNMP的节点设备直接采用简单网络管理协议SNMP进行交互；

所述上位机通过SNMP与所述串口服务器进行交互，通过该串口服务器连接所述不支持SNMP的网管型交换机及控制设备上的控制口，与所述不支持SNMP的网管型交换机及控制设备进行交互；

所述上位机将所述非网管型交换机和通过该非网管型交换机的链路作为一个节点设备进行交互。

进一步地，所述上位机还用于保存所有节点设备的IP地址，扫描监控系统中各节点设备的IP地址，如果一节点设备的IP地址是未保存的IP地址，则判断该节点设备非法。

进一步地，所述上位机还用于扫描所述监控系统中各节点设备的MAC地址，对于各节点设备，分别查找是否保存过该节点设备IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该节点设备的MAC地址和保存的是否相同，如果不同，则判断该节点设备非法；如果没有保存过，则将该节点设备的MAC地址保存为该节点设备IP地址对应的MAC地址。

进一步地，所述上位机还用于预存外部IP地址，当检测到有外部设备时，如果该外部设备的IP地址不在预存的外部IP地址中，则判断该外部设备非法；如果在，则查找是否记录过该IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该外部设备的MAC地址和记录的是否相同，如果不同，则判断该外部设备非法；如果没有记录过，则将该外部设备的MAC地址记录为该外部设备IP地址对应的MAC地址。

本发明还提供了一种实时工业控制系统的监控方法，包括：

建立多个节点设备和上位机之间的直接或间接连接；

所述节点设备包括交换机、控制设备及系统中各段独立的链路；

所述上位机与各节点设备进行交互，包括获取各节点设备的运行状态数据和故障信息，及发送控制命令给所述节点设备。

进一步地，对于支持SNMP的节点设备，所述上位机采用简单网络管理协议SNMP与其进行交互；

对于不支持SNMP的网管型交换机及控制设备，所述上位机采用SNMP与一串口服务器交互，并通过该串口服务器连接该不支持SNMP的网管型交换机及控制设备的控制口，与该不支持SNMP的网管型交换机及控制设备的控制口进行交互；

对于非网管型交换机，所述上位机将该非网管型交换机和通过该非网管型交换机的链路作为一个节点设备进行交互。

进一步地，所述的监控方法还包括：

所述上位机保存所有节点设备的IP地址，扫描监控系统中各节点设备的IP地址，如果一节点设备的IP地址是未保存的IP地址，则判断该节点设备非法。

进一步地，所述的监控方法还包括：

所述上位机扫描所述监控系统中各节点设备的MAC地址，对于各节点设备，分别查找是否保存过该节点设备IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该节点设备的MAC地址和保存的是否相同，如果不同，则判断该节点设备非法；如果没有保存过，则将该节点设备的MAC地址保存为该节点设备IP地址对应的MAC地址。

进一步地，所述的监控方法还包括：

所述上位机预存外部IP地址，当检测到有外部设备时，如果该外部设备的IP地址不在预存的外部IP地址中，则判断该外部设备非法；如果在，则查找是否记录过该IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该外部设备的MAC地址和记录的是否相同，如果不同，则判断该外部设备非法；如果没有记录过，则将该外部设备的MAC地址记录为该外部设备IP地址对应的MAC地址。

本发明的技术方案能填补对DCS实时工业控制系统监控的空白，包含对控制系统设备、第三方的设备，以及工业现场总线、工业以太网线缆中的部分或全部进行及时、可靠的监控管理。

本发明的一个优化方案根据工业以太网拓扑设置，将每一段独立的网络运行链路进行编码作为一个单独的控制设备进行管理。

本发明的又一个优化方案可以预防非法接入。

本发明的再一个优化方案和DCS系统有效结合，操作信息、报警信息、网络状态可以在DCS系统的状态图中显示与调用，可以在DCS系统的历史记录文件进行存储，可以对指定的故障类型进行控制。

附图说明

图1是实施例一的实时工业控制系统的监控系统的示意框图；

图2是实施例一中采用串口服务器连接时的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一，一种实时工业控制系统的监控系统，如图1所示，包括：

上位机和多个节点设备；

所述节点设备包括交换机及控制设备；

各节点设备都直接或间接与所述上位机相连；具体为：所述交换机中部分或全部与所述上位机相连，部分或全部直接与所述控制设备(一或多个)相连；这些交换机中有些也彼此相连；所述上位机直接或通过所述交换机与各所述控制设备相连；

所述上位机用于与各节点设备进行交互，包括获取各节点设备的运行状态数据和故障信息，及发送控制命令给所述节点设备。

本实施例中，所述上位机可以有一个或多个，可以但不限于是DCS设备监控站，通过数据链路与所述交换机相连，所述交换机之间如果相连，则也通过数据链路相连；所述上位机可以直接获取和发送控制命令，也可以通过交换机进行交互；同样，交换机可以直接从连接的控制设备获取所述运行状态数据和故障信息并发送所述控制命令，也可以通过其它交换机进行交互。

本实施例中，为系统中每一段独立的链路(包括上位机和节点设备之间的、节点设备彼此间的链路)分配唯一的编码，将各段链路作为一个单独的节点设备进行管理，这个编码代表的设备是由它两端所连接的端口组成的。通过这种创造性的管理，可以严格定义和区分每一条网络物理线路，极大地提高监控效率。

本实施例中，所述上位机和节点设备间采用简单网络管理协议(SNMP)进行交互；SNMP的基本功能包括监视网络性能、检测分析网络差错和配置网络设备等，在网络正常工作时，SNMP可实现统计、配置和测试等功能。当网络出故障时，可实现各种差错检测和恢复功能。

但是考虑到目前DCS系统设备中只有部分设备支持SNMP，本实施例中在架构时对各类设备区别处理：

对于上位机及支持SNMP的控制设备，可以通过对操作系统安装设置SNMP协议直接进行设置管理。目前的各种操作系统均包含了对于SNMP协议的支持，通过安装可选的功能包，对每台设备进行设置，使之指定相应的报警信息接收端，并接受接收端的访问和控制；

对于支持SNMP协议的网管型交换机也是一样，可安装设置SNMP协议直接进行设置管理；支持SNMP协议的网管型交换机可以完全遵循SNMP协议管理操作，因此可以有效利用网络技术的先进性能，对每台交换机进行设置，使之指定相应的报警信息接收端，并接受接收端的访问和控制。

链路本身支持SNMP。

也就是说，所述监控系统中的上位机、链路、支持SNMP的控制设备和交换机直接采用SNMP进行交互。

如图2所示，所述监控系统还可以包括集成了多个串口的串口服务器，不支持SNMP协议的网管型交换机及控制设备通过该串口服务器与所述上位机相连；可以对不支持SNMP协议的网管型交换机及控制设备设置管理IP地址。

所述上位机通过SNMP与所述串口服务器进行交互，通过该串口服务器连接不支持SNMP协议的网管型交换机或控制设备的控制口(串口)，读取/修改该网管型交换机或控制设备的内部参数，以获取该网管型交换机或控制设备运行状态信息和故障信息/向该网管型交换机或控制设备发送控制命令，从而完成对其状态的管理功能。各交换机或控制设备的内部参数不尽相同，所述上位机通过内置多厂家的参数命令，来进行自动识别或者手工指定。

也就是说，对于，不支持SNMP协议的网管型交换机及控制设备，是将串口控制与SNMP相结合，来完成DCS自身设备系统监控，用以完善对DCS系统本身设备状态的监控、报警、存储功能，提高DCS产品性能、可靠性、技术先进性。

串口通讯是通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据。串口服务器可以将多个串口集成后通过TCP/IP以太网介质进行传输，最高串口波特率可达1.5M，完全满足串口通讯的需要。目前，DCS系统的控制设备，包括第三方设备均支持串口通讯。

对于只具备基本的存储转发功能的非网管型交换机，无法对其进行任何管理操作。由非网管型交换机组成的网络对于上位机(MMI)和DPU来说是透明的，无法探知网络拓扑，也无法确认交换机端口或者线路状态。对于非网管型交换机，可以将该非网管型交换机和通过该非网管型交换机的链路看成一个节点设备，根据已经确定的节点设备连接拓扑结构，通过轮询或者手动查询该设备上联和下联的设备及其端口得到的反馈信息，对其网络状态进行判断，并能够根据已知的拓扑结构信息，确认该设备或该设备与上/下联设备之间的链路的实时状态。

本实施例中，所述控制设备可以但不限于包括DPU控制站在内的各种DCS系统控制设备、工业现场总线、第三方控制设备(如PLC、其它DCS系统)等；

本实施例中，所述上位机还用于根据所述运行状态和故障信息判断各节点设备是否连接正确及是否运行正常；如果连接错误或运行故障则进行报警处理，比如通过发送报警信号的方式通知人员处理，也可以根据预存的策略自动或者人员手动进行控制，包括但不限于以下任一种或其任意组合：通过发送控制命令关闭/激活某个网络接口、使用新的管理信息更新设备、重新设置某些计数器、重启某个设备或管理代理、修改某些配置参数等。

本实施例中，所述上位机的功能包括但不限于以下任一种或其任意组合：

(一)实时监测和评估网络各节点(包括交换机、控制节点设置、链路)状态；

上位机定期的查询网络节点的状态，并实时的显示网络监控设备的主要信息。当网络设备网络接口状态变化时，能够实时获取Trap信息，并将该事件通知用户。

(二)网络异常检测

上位机通过对网络数据包的在线监视分析，根据预定的正常运行值范围和内容，判断网络是否发生数据异常。

(三)单个节点故障隔离

上位机首先可以通过报警的方式通知人员处理，也可以设置控制按钮，通过snmp控制命令关闭相应端口。Snmp可以实现禁止或激活某个网络接口、使用新的管理信息更新设备、重新设置某些计数器、重启某个设备或管理代理、修改某些配置参数等。

(四)信息存储和历史记录

上位机将监控系统自身的一些操作信息、Trap信息、报警信息等存储在指定的log记录中，并且通过报警或事件的方式发送出去，从而进入历史。

(五)网络连接错误提示

如果网络监控的设备没有按照配置进行连接，上位机进行提示。

本实施例中，所述上位机中保存有监控系统中所有节点设备的IP地址，可以但不限于保存为设备IP表的形式；所述上位机还用于扫描监控系统中各节点设备的IP地址，并与所保存的IP地址对比，如果一节点设备的IP地址是未保存的IP地址，则判断是非法的节点设备。这样一来，监控系统可以预防非法接入。

所述上位机还可以用于扫描所述监控系统中各节点设备的MAC地址，对于各节点设备，分别查找是否保存过该节点设备IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该节点设备的MAC地址和保存的是否相同，如果不同，则判断该节点设备非法；如果没有保存过，则将该节点设备的MAC地址保存为该节点设备IP地址对应的MAC地址。

本实施例中，所述上位机还可以用于有效处理DCS系统网络与外部链接的接口设备的通讯数据，管理边界安全。

所述上位机当检测到有外部设备时，发送消息要求对方接受本系统监控的方式，或者以与其连接的交换机端口或者MMI网络端口为节点设备进行监控。

所述上位机还用于预存外部IP地址，当检测到有外部设备时，如果该外部设备的IP地址不在预存的外部IP地址中，则判断该外部设备非法；如果在，则查找是否记录过该IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该外部设备的MAC地址和记录的是否相同，如果不同，则判断该外部设备非法；如果没有记录过，则将该外部设备的MAC地址记录为该外部设备IP地址对应的MAC地址。

本实施例中，所述上位机在判断节点设备或外部设备非法后，可以报警或根据预设的方式进行控制，比如屏蔽该设备的数据、阻断通讯等。

本实施例的监控系统和DCS系统可以有效结合，完成监视和控制功能。监视功能的实现是指操作信息、报警信息、网络状态可以在DCS系统的状态图中显示与调用，并在DCS系统的历史记录文件进行存储；控制功能的实现是指在出现指定的故障时，可以通过预先设定的策略自动或者提请人工进行控制干预。

实施例二，一种实时工业控制系统的监控方法，包括：

建立多个节点设备和上位机之间的直接或间接连接；

所述节点设备包括交换机、控制设备及系统中各段独立的链路；

所述上位机与各节点设备进行交互，包括获取各节点设备的运行状态数据和故障信息，及发送控制命令给所述节点设备。

本实施例中，对于支持SNMP的节点设备，所述上位机采用简单网络管理协议SNMP与其进行交互；

对于不支持SNMP的网管型交换机及控制设备，所述上位机采用SNMP与一串口服务器交互，并通过该串口服务器连接该不支持SNMP的网管型交换机及控制设备的控制口，与该不支持SNMP的网管型交换机及控制设备的控制口进行交互；

对于非网管型交换机，所述上位机将该非网管型交换机和通过该非网管型交换机的链路作为一个节点设备进行交互。

本实施例中，所述的监控方法还可以包括：

所述上位机保存所有节点设备的IP地址，扫描监控系统中各节点设备的IP地址，如果一节点设备的IP地址是未保存的IP地址，则判断该节点设备非法。

本实施例中，所述的监控方法还可以包括：

所述上位机扫描所述监控系统中各节点设备的MAC地址，对于各节点设备，分别查找是否保存过该节点设备IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该节点设备的MAC地址和保存的是否相同，如果不同，则判断该节点设备非法；如果没有保存过，则将该节点设备的MAC地址保存为该节点设备IP地址对应的MAC地址。

本实施例中，所述的监控方法还可以包括：

所述上位机预存外部IP地址，当检测到有外部设备时，如果该外部设备的IP地址不在预存的外部IP地址中，则判断该外部设备非法；如果在，则查找是否记录过该IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该外部设备的MAC地址和记录的是否相同，如果不同，则判断该外部设备非法；如果没有记录过，则将该外部设备的MAC地址记录为该外部设备IP地址对应的MAC地址。

其它实现细节可同实施例一。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种实时工业控制系统的监控系统，其特征在于，包括：

上位机和多个节点设备；所述节点设备包括交换机、控制设备及系统中各段独立的链路；

各节点设备都直接或间接与所述上位机相连；

所述上位机用于与各节点设备进行交互，包括获取各节点设备的运行状态数据和故障信息，及发送控制命令给所述节点设备。

2.如权利要求1所述的监控系统，其特征在于，还包括：串口服务器；

所述节点设备包括支持SNMP的节点设备、不支持SNMP的网管型交换机及控制设备、及非网管型交换机；

所述上位机和所述支持SNMP的节点设备直接采用简单网络管理协议SNMP进行交互；

所述上位机通过SNMP与所述串口服务器进行交互，通过该串口服务器连接所述不支持SNMP的网管型交换机及控制设备上的控制口，与所述不支持SNMP的网管型交换机及控制设备进行交互；

所述上位机将所述非网管型交换机和通过该非网管型交换机的链路作为一个节点设备进行交互。

3.如权利要求1或2所述的监控系统，其特征在于：

所述上位机还用于保存所有节点设备的IP地址，扫描监控系统中各节点设备的IP地址，如果一节点设备的IP地址是未保存的IP地址，则判断该节点设备非法。

4.如权利要求3所述的监控系统，其特征在于：

所述上位机还用于扫描所述监控系统中各节点设备的MAC地址，对于各节点设备，分别查找是否保存过该节点设备IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该节点设备的MAC地址和保存的是否相同，如果不同，则判断该节点设备非法；如果没有保存过，则将该节点设备的MAC地址保存为该节点设备IP地址对应的MAC地址。

5.如权利要求1或2所述的监控系统，其特征在于：

所述上位机还用于预存外部IP地址，当检测到有外部设备时，如果该外部设备的IP地址不在预存的外部IP地址中，则判断该外部设备非法；如果在，则查找是否记录过该IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该外部设备的MAC地址和记录的是否相同，如果不同，则判断该外部设备非法；如果没有记录过，则将该外部设备的MAC地址记录为该外部设备IP地址对应的MAC地址。

6.一种实时工业控制系统的监控方法，包括：

建立多个节点设备和上位机之间的直接或间接连接；

所述节点设备包括交换机、控制设备及系统中各段独立的链路；

所述上位机与各节点设备进行交互，包括获取各节点设备的运行状态数据和故障信息，及发送控制命令给所述节点设备。

7.如权利要求6所述的监控方法，其特征在于：

对于支持SNMP的节点设备，所述上位机采用简单网络管理协议SNMP与其进行交互；

对于不支持SNMP的网管型交换机及控制设备，所述上位机采用SNMP与一串口服务器交互，并通过该串口服务器连接该不支持SNMP的网管型交换机及控制设备的控制口，与该不支持SNMP的网管型交换机及控制设备的控制口进行交互；

对于非网管型交换机，所述上位机将该非网管型交换机和通过该非网管型交换机的链路作为一个节点设备进行交互。

8.如权利要求6或7所述的监控方法，其特征在于，还包括：

所述上位机保存所有节点设备的IP地址，扫描监控系统中各节点设备的IP地址，如果一节点设备的IP地址是未保存的IP地址，则判断该节点设备非法。

9.如权利要求8所述的监控方法，其特征在于，还包括：

所述上位机扫描所述监控系统中各节点设备的MAC地址，对于各节点设备，分别查找是否保存过该节点设备IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该节点设备的MAC地址和保存的是否相同，如果不同，则判断该节点设备非法；如果没有保存过，则将该节点设备的MAC地址保存为该节点设备IP地址对应的MAC地址。

10.如权利要求6或7所述的监控方法，其特征在于，还包括：

所述上位机预存外部IP地址，当检测到有外部设备时，如果该外部设备的IP地址不在预存的外部IP地址中，则判断该外部设备非法；如果在，则查找是否记录过该IP地址所对应的MAC地址，如果保存过则判断该外部设备的MAC地址和记录的是否相同，如果不同，则判断该外部设备非法；如果没有记录过，则将该外部设备的MAC地址记录为该外部设备IP地址对应的MAC地址。

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